肖林林， 班塞迷塔， 鄭楠楠， 張寶東, 范永哲

(1.北京北方車輛集團有限公司，北京 100072；2.河北工業(yè)大學，天津 300401)

特種車輛作業(yè)環(huán)境極其惡劣，履帶連接件經常出現“銹死”的現象，正常的方法難以將其拆卸，往往采用破壞性方法將其切斷，不但零部件就此作廢而且浪費大量時間.目前履帶板連接件的表面處理主要是通過達克羅或化學鍍鎳進行防腐.達克羅涂層和化學鍍鎳層在完好狀態(tài)下，特別是靜態(tài)狀態(tài)(無摩擦情況)防海水腐蝕效果很好.但是達克羅涂層，硬度低，約為2H～6H(H為鉛筆硬度測量單位)，附著力低(<100 MPa)，不耐磨損和磕碰，且涂層的厚度很薄(約從幾個微米到十幾個微米)，往往在履帶組裝時，螺紋件緊固和端聯器套裝過程中，涂層已經遭到破壞，已基本失去了防腐蝕功能.

化學鍍鎳防腐處理鍍層在30 μm以上，才具有較好的防腐效果.為保證螺紋和孔軸裝配精度，化學鍍鎳層控制在10～15μm時，不能較好發(fā)揮化學鍍鎳的防腐效果.鍍層硬度雖高，但與基體結合為機械結合，結合力一般<200 MPa.對于重載，高速工況下的履帶連接件，常常產生鍍層脫落，而使零件失去防腐能力.此外制造成本高.

為了解決此類問題，將介紹兩種能夠代替達克羅以及鍍鎳的兩種表面處理方法：復合粉末滲鋅以及鋅鋁共滲熱化學表面處理.通過對比試驗，總結分析兩種工藝方法的優(yōu)劣性.

1 試驗過程

1.1 試驗方法與步驟

復合粉末滲鋅/鋅鋁共滲工藝流程包括以下3個階段：1)滲前處理，包括除油、除銹等工序；2)熱滲過程，包括調配熱滲爐料、裝爐、加熱、保溫、冷卻、出爐、分離零件,等等；3)滲后處理，包括除塵、拋光、鈍化、涼干等工序.

1.1.1 滲前處理

鋼鐵構件在復合粉末滲鋅以前的表面狀態(tài)和潔凈程度，是保證獲得優(yōu)質滲層的重要條件.在粗糙、銹蝕和污染的零件表面上，很難獲得性能良好的滲鋅層，因此在滲鋅前必須將構件表面的油污、氧化皮及銹蝕等清除干凈.可以采用有機溶劑除油、化學除油、機械除油和擦拭除油,等一種或多種方法除去零件表面的油污.

本研究采用化學除油對試塊和樣件進行前處理.化學除油是利用熱堿溶液對動植物油脂的皂化及各種油類(包括礦物油)的乳化作用除去油脂，比有機溶劑清除徹底，通常用于構件酸洗除銹前的處理工序.

1.1.2 滲鋅與鋅鋁共滲工藝選擇

滲鋅過程包括調配熱滲爐料、裝爐、加熱、保溫、分離零件等工序.滲鋅劑主要由鋅粉、添加劑和填充載體組成.根據構件表面積和需要鍍的厚度計算用鋅量，這是控制滲層厚度的一種措施.對復合粉末滲鋅，添加劑為納米稀土CeO2或NH4Cl等活化劑，用量為滲鋅劑的1%～2%.填充載體用于防止鋅粉相互粘結、使鋅粉均勻分布在滲鋅劑中、并有助于構件的均勻加熱，在滲鋅容器旋轉中使得鋅粉充分與構件表面機械接觸.在進行大批量生產時，填充載體是滲鋅劑的主要組成，其材料為工業(yè)用氧化鋁、石英砂(SiO2)或粘土熟料.

滲鋅/鋅鋁共滲工藝過程是：將裝有構件以及滲劑的密封容器放置在加熱爐中加熱，當溫度升高到340～450 ℃時，保持溫度恒定40～150 min，然后隨爐冷卻至50℃左右.滲鋅的加熱溫度和保溫時間是決定滲層厚度和質量的關鍵，加熱段速率、加熱方式、最高溫度和保溫時間等，都會影響滲層合金化和組織結構.

1.2 試驗所用材料與設備

工程化試件制作明細包括：誘導齒、端聯器、螺栓樣件及38CrSi、42CrMo和35#鋼樣塊.特種車輛連接件試樣的大批量試驗裝備為電加熱式滲鋅爐，在合適的溫度下保溫合適的時間，隨后隨爐冷卻.對試樣的各項性能進行檢測.

2 試驗結果分析研究

2.1 樣塊硬度檢測對比

首先進行熱處理：38CrSi試樣通過淬火910 ℃(5～8 min)、回火550 ℃(60～80 min)，達到硬度HRC32.5～39；42CrMo試樣通過淬火840 ℃(5～8 min)、回火550 ℃(60～80 min)，達到硬度HRC32.5～39；35#鋼試樣通過淬火860 ℃(5～8 min)、回火540 ℃(60～80 min)，達到硬度HRC18～28.

對熱處理后的樣塊進行硬度檢測后，分別進行滲鋅和鋅鋁共滲，處理后再次進行硬度檢測，詳細測試結果如表1所示.

表1 樣塊滲鋅以及鋅鋁共滲后硬度參數對比

由表1可見，在熱處理回火溫度高于滲鋅、鋅鋁共滲的保溫溫度時，硬度無明顯變化，滲鋅、鋅鋁共滲前后硬度均在要求范圍內，并無明顯區(qū)別.

2.2 工程化樣件結果分析

將此工藝參數應用到工程化樣件中進行試驗.試驗結果對滲鋅與鋅鋁共滲的厚度、滲層成分、表面硬度與結合強度、耐蝕性等方面進行分析對比.

2.2.1 樣件厚度結果與分析

通過采用金相顯微鏡以及磁性測厚儀兩種方法，對端聯器滲鋅層和鋅鋁共滲層厚度進行檢測，均在18～30 μm之間且鍍層完整、均勻，滲鋅與鋅鋁共滲無明顯差別.金相圖以及實測厚度值見圖1.

圖1 端聯器滲鋅以及鋅鋁共滲截面圖片

2.2.2 樣件滲層成分結果與分析

采用X-射線衍射分方法判斷鋅鋁共滲層中是否含有鋁.采用Rigaku DMAX-RC型X射線衍射儀對端聯器樣件平面滲層進行物相檢測分析，確定滲層的物相組成.本試驗采用CuKα，λ=1.540 6 ?，步長0.02，測試角度為10°～90°.根據能譜分析可大概了解滲層中鐵鋅等元素的含量以及在各部位的分布情況，并計算出在滲層中可能存在的物相.再結合XRD分析結果，兩者加以對比，就可準確得出滲層中含有的物相[1].鋅鋁共滲滲層成分中可知滲層中含有鋁成分，詳見表2.

表2 鋅鋁共滲滲層表面不同點元素組成和相對含量[1]

2.2.3 滲層表面硬度與結合強度對比

通過維式硬度計檢測端聯器樣件滲層表面硬度，具體數值如表3所示.

表3 滲鋅端聯器樣件以及鋅鋁共滲端聯器樣件滲層 表面硬度對比

采用錘擊法進行硬度檢驗：用1 kg的錘子，距離樣件表面30～50 cm的高度自由落體砸下，滲鋅層未及鋅鋁共滲層均未出現脫落或露出金屬底色等現象.

滲鋅、鋅鋁共滲層屬于冶金金屬鍍層，主要特點是硬度高，耐磨、抗劃傷性能好，與基體金屬的結合屬于冶金結合，結合強度高.

2.2.4 硬度結果分析

對誘導齒、端聯器、螺栓樣件分別進行切割，對樣件基體硬度進行檢測，具體數據見表4.樣件經過滲鋅或鋅鋁共滲處理后基體硬度符合零件要求.

表4 滲鋅端聯器樣件以及鋅鋁共滲端聯器樣件滲層 表面硬度對比

3 耐蝕性試驗

3.1 未鈍化處理滲鋅及鋅鋁共滲樣塊中性鹽霧試驗

鋅鋁共滲滲層在鹽霧試驗中的腐蝕初期，滲層表面很快長滿一層很厚的毛絮狀物質，腐蝕產物為ZnO、Zn(OH)2、Zn5(OH)8Cl2H2O、ZnAl2O4、FeOCl以及FeZn7，較之滲鋅層腐蝕產物，多了ZnAl2O4這一相；繼續(xù)腐蝕，滲層上腐蝕產物增厚，上面出現許多細小的“針葉”狀物質，應是ZnAl2O4，并且它的含量逐漸增多，對滲層腐蝕的減緩作用增強；腐蝕后期，微觀形貌為分布均勻的胞狀，上面布滿排列致密的“針葉”狀小顆粒，ZnAl2O4已在滲層表面形成一層致密的保護層，減緩了腐蝕速率.

在粉末滲鋅中添加鋁元素進行共滲后，會獲得耐蝕性能更加優(yōu)良的滲層.通過將粉末滲鋅和鋅鋁共滲得到的滲層進行鹽霧試驗對比，發(fā)現鋅鋁共滲的滲層在腐蝕過程中會產生一種具有穩(wěn)定結構的氧化物——尖晶石(ZnAl2O4)，它能夠在滲層表面形成一層致密的保護層結構，阻斷滲層內外物質的傳輸交換，有效地降低腐蝕速率[2].另外，較之于鐵元素來說，鋅和鋁的電位要低得多，可以通過犧牲陽極的方式為鋼鐵基體提供保護.并且，鋅和鋁元素均以與鐵的化合物形式出現在滲層中，使得鋅鋁與基體間的電位差大大降低，來提供保護作用.除此之外，鋅鋁共滲層是以與基體形成化學鍵的方式存在，因而和基體有極好的附著力，使得滲層耐蝕性和耐磨性得到顯著改善，比起滲鋅的防腐蝕效果要更佳[1].如表5所示.

表5 滲鋅及鋅鋁共滲未鈍化中性鹽霧試驗結果對比

3.2 進行后處理的滲鋅與鋅鋁共滲中性鹽霧試驗對比

3.2.1 進行封閉處理

為進一步提高滲鋅及鋅鋁共滲件的耐蝕性，先任選3個螺栓滲鋅樣件進行封閉處理，與未進行封閉處理的螺栓共同進行中性鹽霧試驗，效果如圖2所示.

圖2 樣件表面處理狀態(tài)

由圖2能夠看出，在經過240 h的中性鹽霧試驗后，未經過封閉后處理的樣件布滿了紅銹，明顯未能通過鹽霧試驗；但是經過封閉后處理的樣件，略有白銹出現，符合要求.

3.2.2 將鈍化與封閉效果進行對比

圖3(a)誘導齒試件為整體鈍化后的鋅鋁共滲層，圖3(b)誘導齒試件左側為未經封閉的滲鋅層，右側為封閉后的滲鋅層.

圖3 誘導齒鋅鋁共滲經過不同處理中性耐鹽霧對比

經過240 h中性鹽霧試驗后，鋅鋁共滲試件布滿白銹，無紅銹；滲鋅試件左側未封閉的部分布滿紅銹，封閉的無紅銹，有少量白銹.

4 結 論

滲鋅及鋅鋁共滲的工藝溫度未超過零件熱處理回火溫度時，對38CrSi、42CrMo、35#鋼3種材料基體硬度影響不大.說明回火溫度高于450 ℃的零件可以采用滲鋅或鋅鋁共滲處理.滲鋅及鋅鋁共滲工藝形成的滲層均勻，厚度在18～30 μm之間，滿足典型零件的要求.且鋅鋁共滲層中確含有鋁元素.滲鋅及鋅鋁共滲層表面硬度>220 HV，冶金結合強度在300～350 MPa.

滲鋅與鋅鋁共滲的工藝及性能相近，對比分析結果如下：

1)目前滲鋅溫度最低可降低至(350±10) ℃，保溫2～2.5 h；鋅鋁共滲溫度最低可降低至(410±10) ℃，保溫2.5 h.在綜合考慮能耗方面，滲鋅的工藝要優(yōu)于鋅鋁共滲.

2)鋅鋁共滲比滲鋅的耐鹽霧性好.在惡劣環(huán)境下長時間工作的零部件，鋅鋁共滲的工藝要優(yōu)于滲鋅工藝.

3)封閉層對滲鋅層起到了很好的保護作用，大大提高了滲鋅的耐腐蝕性能，保護作用明顯；耐蝕性能，封閉層比鈍化層更能提供耐蝕性，所以建議零部件要進行封閉后處理.